整车控制器简介

整车控制器简介

整车控制器（VMS ，vehicle management Syetem），即动力总成控制器。是整个汽车的核心控制部件，它采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，并做出相应判断后，控制下层的各部件控制器的动作，驱动汽车正常行驶。作为汽车的指挥管理中心，动力总成控制器主要功能包括：驱动力矩控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN 网络的维护和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视等，它起着控制车辆运行的作用。

因此VMS 的优劣直接影响着整车性能。

纯电动汽车整车控制器(Vehicle Controller)是纯电动汽车整车控制系统的核心部件，它对汽车的正常行驶，再生能量回收，网络管理，故障诊断与处理，车辆的状态与监视等功

能起着关键的作用。

与各部件控制器的动态控制相比，整车控制器属于管理协调型控制。

整个车辆系统采用一体化集成控制与分布式处理的车辆控制系统的体系结构，各部件都有独立的控制器，整车控制器对整个系统进行能量管理及各部件的协调控制。为满足系统数据交换量大，实时性、可靠性要求高的特点，整个分布式控制系统之间采用CAN

总线进行通讯。

整车控制器主要由控制器主芯片，Flash 存储器和RAM 存储器及相关电路组成，控制器

主芯片的输出与Flash 存储器和RAM 存储器的输入相连。

整车控制器通过CAN 总线接口连接到整车的CAN 网络上与整车其余控制节点进行信息

交换和控制。

控制器硬件包括微处理器、CAN 通信模块、BDM 调试模块、串口通信模块、电源及保护电路模块等。微处理器选用了Motorola 公司专门为汽车电子开发的MCgS12，它具有运算速度快和内部资源与接口丰富的特点，适合实现整车复杂的控制策略和算法。CAN 通信模块符合CAN2.0B 技术规范，采用了光电隔离、电源隔离等多项抗干扰设计;BDM 调试模块用于实时对控制程序进行调试、修改; 串口通信模块用于对控制系统的诊断和标定; 电源模块进行了二级滤波的冗余设计，保证控制器在车载12V 系统供电情况下正

常工作，并具短路保护功能。

CAN ，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是一种国际标准的，高性价的现场总线，在自动控制领域具有重要作用。CAN 是一种多主方式的串行通讯总线，具有较高的实时性能，因此，广泛应用于汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领

域。

决策层控制单元是车辆智能化的关键, 其收集车辆运行过程中的信息, 并根据智能算法的决策向物理器件层控制单元发送命令; 动力源控制单元负责调节动力源系统部件以满足决策层控制单元的命令要求; 驱动/制动控制单元则调节双向变量电机和能耗制动系统实

现车辆的各种工况, 如驱动控制、防抱制动等。

整车控制器功能需求：

整车控制器在汽车行驶过程中执行多项任务，具体功能包括：(1)接收、处理驾驶员的驾驶操作指令，并向各个部件控制器发送控制指令，使车辆按驾驶期望行驶。(2)与电机、DC/DC、蓄电池组等进行可靠通讯，通过CAN 总线（以及关键信息的模拟量）进行状态的采集输入及控制指令量的输出。(3)接收处理各个零部件信息，结合能源管理单元提供当前的能源状况信息。(4)系统故障的判断和存储，动态检测系统信息，记录出现的故障。

(5)对整车具有保护功能，视故障的类别对整车进行分级保护，紧急情况下可以关掉发电

机及切断母线高压系统。(6)协调管理车上其他电器设备。

整车控制器是一个多输入、多输出、数模电路共存的复杂系统，其各个功能电路相对独

立。因此，按照模块化思想设计硬件系统的各个模块，主要包括：最小应用系统模块，电源模块，CAN 通讯模块，串口通讯模块，数模输入输出模块。其中MCU 是整车控制器的核心, 它负责数据的采集和处理、逻辑运算以及控制的实现等, MCU 的选取是整个

硬件设计过程中最重要的任务。

天津清源电动汽车在整车开发方面，天津清源电动车辆有限责任公司和一汽天津夏利股份有限公司牵头，中国汽车技术研究中心、天津大学、天津和平海湾公司和天津蓝天高科公司等十几个单位共同参与合作开发出XL2000型纯电动轿车，其整车控制器的原理

图如图所示。

XL2000整车控制器原理图

纯电动汽车一共有9个工作模式：停车状态、充电状态、启动状态（也可以称为自检状态）、运行状态、车辆前进/后退状态、回馈制动状态、机械制动状态、一般故障状态、

重大故障状态。每个状态的具体含义如下：

1、停车状态：纯电动客车处于停车状态，此时系统的主继电器断电，系统中各个节点

停止运行。

2、充电状态：当纯电动客车在停车状态下，插上充电插头或者按下充电按钮时，整车控制器控制组合仪表显示电池充电状态，并对电池工作状态进行实时监测；电池ECU 进

入充电程序，并强制切断动力电机继电器的回路电源。

3、启动状态：在整车控制器确认拔掉充电插头时，拨动汽车钥匙位置，这时系统中各

个节点进入自检状态。

4、运行状态：拨动汽车钥匙到指定位置，整车控制器向电机ECU 发送准备开车指令；整车控制器收到就绪指令后，闭合主继电器，进入行车程序。同时，电池ECU 进入电池

管理程序。

5、车辆前进、后退状态：整车控制器通过对当前车辆功率的要求和蓄电池当前的状态计算并向电机控制器发出信号，动力电机控制器接收到方向信号和驱动转矩给定值信号后，控制动力电机进入运转状态，并根据方向信号确定动力电机的转向，以及根据驱动转矩给定值信号确定动力电机输出转矩的大小，控制电机的输出功率以实现动力性目标。

6、回馈制动状态：当加速踏板回零而且制动踏板处于回馈制动区时，整车控制器发送符合回馈制动要求的负扭矩给电机ECU ；电机ECU 进入发电程序，电池ECU 进入电池回

馈管理程序。

7、机械制动状态：制动踏板离开回馈制动区，电机ECU 停止发电程序，整车控制器进

入机械制动程序，电池ECU 停止回馈。

8、一般故障状态：ECU 检测到一般故障，整车控制器报警（报警灯闪烁、通过CAN 总

线发送相关的报警信息，通知其他的节点），整个系统降级运行。

9、重大故障状态：ECU 报警（紧急情况采用紧急呼叫指令通知其他节点），必要时切断

主继电器电源，系统停车。

图. 整车控制器的主要算法逻辑

图. 整车的安全和故障逻辑

整车CAN 网络拓扑结构

从实时性和安全性的角度出发，该整车控制器可直接采集部分控制信号，这些信号包括

制动踏板、油门踏板等模拟信号以及其它一些数字量信号。

整车控制器具有对动力总成部件进行直接控制的信号通道，包括PWM 和数字量输出等。

电动汽车控制器 高尔夫车控制器 电动游览车控制器

特点：

*强大智能的微处理器

*高速低损耗同步整流PWM 调制

*严格的电流限制和转矩控制

*低电磁干扰，抗干扰、抗震动性能强

*故障指示灯指示各种故障, 方便用户检测和维护

*设有电池保护功能：当电池电压较低时会及时进行报警并进行电流衰减，过低时停止

输出以保护电池

*美观并能快速散热的铝制带散热刺外壳

*镀了多层金属的铜制连接器，插拔式接头，防锈导电性能强

*设有过温保护功能：当温度过高或过低时会自动进行电流衰减，以保护控制器和电池

*倒车时速度限制为全速的一半，以确保安全

*设有油门、刹车信号传感器开路检测及保护

*油门保护：当打开钥匙时将检测油门信号，如果信号较高将不输出以保证安全

*电流倍增：在绝大多情况下电机电流远大于电池电流

*安装简易：使用一个2线0-5K 油门电位器即可工作

*连接计算机串口可以对控制器进行配置，控制器配置程序可运行所有的Windows 版本

之上

(仅能使用我们提供的专用电缆)

附加功能(在背面板) ：

*可选主继电器PWM 输出，省电并可保护继电器

*可选倒车喇叭、车速指示表PWM 信号输出

*刹车开关信号用于控制发电

*刹车模拟信号用于可调发电功能

*油门开关提供更佳的安全

*第二个油门信号(5K-0K)提供更佳的安全特性

*高端驱动方式提供了最佳的电磁兼容性及更好的安全特性 (推荐使用，免费升级！)

规格：

*工作频率：16.6KHz

*待机电流：小于15mA

*标准踏板输入：0-5K 电阻±10%(也可用其它方式)

*全功率工作温度范围： -30°C 至 90 °C ，100°C 关机(控制器环境温度)

*1分钟工作电流：200A/300A/400A/500A/600A

*3分钟工作电流：150A/220A/300A/360A/420A

*连续工作电流：120A/160A/200A/250A/300A

*主继电器驱动能力：3A 峰值及1A 保持驱动

*电流指示表或喇叭输出：200mA

多能源动力总成控制器的软件系统分为以下5个主要模块: (1)系统初始化模块, 主要完成CAN 、定时器、系统状态参数的初始化工作, 系统初始化是启动HCU 正常运行的前提; (2)

CAN 通迅模块, 完成总线上各信息的接收, 作为HCU 制定控制策略的输入条件, 同时将HCU 的功率分配和系统控制策略发送到CAN 总线上。其它控制器接收到HCU 控制信息后执行控制目标; (3)定时器模块, 按照通讯协议定时启动CAN 信息的发送, 同时给系统提供时间参量, 用于总线故障监测模块中故障判断的时间参考, 和在控制算法中的积分运算的时间基准;(4)总线故障监测模块, 按照通讯协议定时启动CAN 信息的发送, 同时负责定时检查线上各模块的通讯状况, 一旦总线上同时由节点不能正常参与总线通讯则向系统发出报警信息; (5)控制算法模块, 控制算法模块负责制动整车的控制策略, 它是整个HCU 控制程序的核心。控制算法模块主要包括系统工作模式判断、当前状态下的ISG 功率需求分

析、系统故障诊断, 基于故障的ISG 能量衰减控制和系统输出预备。

纯电动轿车的主控制器的主要功能包括：驱动力矩控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN 网络的维护和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视等。某研究机构开发的主控制器照片如图2-9所示。

（1）汽车驱动控制

根据司机的驾驶要求、车辆状态等状况，经分析和处理，向电机控制器发出指令，满足驾驶工况要求。包括启动、前进、倒退、回馈制动、故障检测和处理等工况。

（2）整车能量优化管理

通过对电动汽车的电机驱动系统、电池管理系统、传动系统以及其它车载能源动力系统（如空调）的协调和管理，以获得最佳的能量利用率。

（3）网络管理

整车控制器作为信息控制中心，负责组织信息传输，网络状态监控，网络节点管理等功能，网络故障诊断和处理。

（4）回馈制动控制

根据制动踏板和加速踏板信息、车辆行驶状态信息、蓄电池状态信息，向电机控制器发出制动指令，在不影响原车制动性能的前提下，回收部分能量。

（5）故障诊断和处理

连续监视整车电控系统，进行故障诊断。存储故障码，供维修时查看。故障指示灯指示出故障类别和部分故障码。根据故障内容，及时进行相应安全保护处理。对于不太严重的故障，能做到“跛行回家”。

（6）车辆状态监测和显示

主控制器通过传感器和CAN 总线，检测车辆状态及其各子系统状态信息，驱动显示仪表，将状态信息和故障诊断信息经过显示仪表显示出来。显示内容包括：车速，里程，电机的转速、温度，电池的电量、电压、电流，故障信息等。

在纯电动轿车主控制器功能分析的基础上，选定微控制器作为处理器，并按功能把主控制器分为如下几个模块：微控制器模块、数据采集模块（模拟和数字量）、功率驱动及保护模块、电源模块、通讯模块（CAN 总线和RS －232接口）、仪表驱动和显示模块等。 启动钥匙、充电开关、空调开关、车辆模式、档位和制动位置等开关量信号经过防抖、隔离、电平转换和整型处理后，进入SIM 的E 口和F 口由CPU 定时读入。